《牛頓第二定律》的教學設(shè)計

韓敘虹

一.說課設(shè)計

1 教學目標

(1)知識與技能

?理解物體運動狀態(tài)的變化快慢,即加速度大小與力有關(guān),也與質(zhì)量有關(guān)。

?通過實驗探究加速度與力的定量關(guān)系。

?培養(yǎng)學生動手操作能力。

(2)過程與方法

?指導學生定量地探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系。知道用控制變量法進行實驗。

?學生自己設(shè)計實驗,以及根據(jù)自己的實驗設(shè)計進行實驗。

?對實驗數(shù)據(jù)進行處理。

(3)情感、態(tài)度與價值觀

?通過實驗探究,培養(yǎng)學生實事求是、尊重客觀規(guī)律的科學態(tài)度。

?通過實驗探究激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新精神。

?培養(yǎng)學生的團隊合作精神。

2 設(shè)計思想

牛頓第二定律是動力學的核心規(guī)律,是學習其他動力學規(guī)律的基礎(chǔ),是本章的重點內(nèi)容,它揭示了物體的加速度跟力和質(zhì)量間的定量關(guān)系,是在實驗基礎(chǔ)上建立起來的重要規(guī)律,在理論研究與實際問題中都有廣泛的運用。筆者在設(shè)計中注重物理思想和物理方法的滲透,如:控制變量法、研究物理問題的一般方法等;注重培養(yǎng)學生良好的科學品質(zhì)和科學素養(yǎng)。

課一開始,教師就創(chuàng)設(shè)了生動的情境,通過一段生活視頻(關(guān)于汽車起步的現(xiàn)場采訪)導入,引發(fā)關(guān)于加速度與什么因素有關(guān)的思考,結(jié)合生活實際,做定性研究;再繼而猜想三者的定量關(guān)系,由學生自行設(shè)計測量加速度a的實驗方案并進行探究,選取多種方案進行實驗、分析,直至通過對結(jié)論的歸納得出定律;課末以詩歌作結(jié),融入了濃濃的人文氣息。

整個過程重視規(guī)律的形成過程,體現(xiàn)了物理探究學習的一般規(guī)律:提出問題——猜想——設(shè)計實驗方案——實驗探究——結(jié)論——推廣、應用,讓學生經(jīng)歷并感受發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程,體驗科學探究的艱辛和樂趣,從中體會科學的來之不易。在具體課堂教學實施操作中,主要體現(xiàn)以下特色:

(1)考慮到教學進度和落實知識點的要求,在設(shè)計和編排上更注重對重、難點的突出。經(jīng)過多方權(quán)衡,最后把實驗方案的探究點落在設(shè)計測量加速度這一環(huán)節(jié)上,使問題指向更明確,又有一定的難度,很好地提升了學生的實驗設(shè)計能力;拍攝的實驗錄像,節(jié)約了探究時間;探究過程沒有在次要問題上糾纏太多,如:拉力與小桶和砝碼總重力相等;桶的總質(zhì)量要遠小于小車的質(zhì)量;是否要平衡摩擦力等。通過小組合作學習的方式,對設(shè)計的實驗方案進行探討,再由小組代表上臺發(fā)言,學生間分享、交流成果,很好地培養(yǎng)了學生交流合作的能力和口頭表達能力。

(2)在選取合適的實驗方案進行演示的教學上,由于教師課前做了大量的實驗準備,事先對各種可能的方案及結(jié)果在實驗室都曾一一演示、檢驗過,做了大量的對比研究和實驗誤差分析及積極的對策改良等,減少了盲目性,取得了令人滿意的結(jié)果。在教學中,采取多種實驗方案進行探究,現(xiàn)場的演示實驗(光電門實驗)與拍攝的錄像實驗(位移傳感器實驗)相結(jié)合,現(xiàn)代的傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)的實驗相結(jié)合,讓學生意識到實驗是解決問題的重要手段或途徑,同時也認識到實驗方法是多種多樣的,關(guān)鍵是如何根據(jù)實際情況,選擇誤差盡可能小的方法或途徑來分析、解決問題。

(3)運用現(xiàn)代技術(shù)輔助教學也是本教學設(shè)計的一大特色。運用傳感器技術(shù)當場演示光電門實驗,大大地節(jié)省了時間,提高了實驗的精度和準確性。在數(shù)據(jù)的輸入和處理方面,課前運用Excel軟件,自行編制程序。課堂上,現(xiàn)場實地采集的實驗數(shù)據(jù),當場錄入到計算機里,用編制的“宏”解決了加速度a的計算,得到了比較精確的定量關(guān)系。這樣處理,既保留了實驗的原汁原味,突出了實驗在分析、解決問題等方面的重要功能,還大大提高了課堂效率,同時在課堂上,還讓學生領(lǐng)略了先進技術(shù)對科學實驗的推動作用。

二.教學設(shè)計

1 教學過程簡介

1.1 引入

視頻:關(guān)于汽車起步的路邊采訪(圍繞啟動快慢跟什么因素有關(guān)的一段對話)。

師:這是我在課前錄制的一段現(xiàn)場采訪,通過我與貨車司機的對話,你能夠從中悟出什么樣的物理道理?

生小結(jié):汽車的起步過程是從靜止開始加速,物體的運動狀態(tài)發(fā)生了變化,產(chǎn)生了加速度。起步的快慢反映了加速度的大小,加速度的大小跟什么因素有關(guān)呢?跟作用力有關(guān),對于相同質(zhì)量的物體來說,作用力越大,加速度越大;而且還跟質(zhì)量有關(guān),在相同的作用力下,物體的質(zhì)量越大,加速度反而越小。

1.2 定量探究加速度與作用力、質(zhì)量之間的關(guān)系實驗

問:加速度、作用力和質(zhì)量之間有怎樣的定性關(guān)系?這就是今天要研究的課題,讓我們循著前人牛頓的足跡,繼續(xù)探索三者之間的定量關(guān)系,來體會科學發(fā)現(xiàn)帶給我們的喜悅。

(1)猜想

問:根據(jù)剛才這段對話,也可以是你的生活經(jīng)驗,大膽地猜想一下它們之間的定量關(guān)系?

答:加速度的大小與所受的外力成正比,與物體的質(zhì)量成反比?

問:果真如此嗎?事實勝于雄辯,接下來通過實驗來進行探究。

(2)研究方法

問:要研究三個量之間的定量關(guān)系,要采用什么方法?

答:控制變量法。在研究加速度與作用力的關(guān)系時候,就控制質(zhì)量不變,改變作用力的大小,看加速度如何變化;研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系的時候,就控制作用力不變,通過改變質(zhì)量來看加速度如何變化,從中去尋找規(guī)律。

(3)設(shè)計實驗方案、步驟等

為了使研究的問題更明確些,選取在水平軌道上的小車作為研究對象,在小車的前端拴一根細繩,繞過滑輪,在下面系一個小桶,小桶里放入適當?shù)捻来a,釋放小桶,小車就受到一個水平方向的恒定的拉力,拉力的大小就等于帶砝碼的小桶的總的重力。

問:那么,這三個物理量,我們應該用什么樣的儀器來測定呢?

答:小車的質(zhì)量可以用天平,改變小車的質(zhì)量,可以通過加固不同的定片;測量桶的重力就知道了作用力的大小,改變桶里砝碼的質(zhì)量,就可以改變作用力。

問:可見,三個量中,能否準確、有效地測定物體的加速度是實驗的關(guān)鍵,也是實驗的難點!下面采用合作學習的方式,請同學四人成立一個學習小組,來共同設(shè)計測定加速度a的實驗方案,設(shè)計內(nèi)容包括:需要提供哪些必要的儀器?如何測量?運用什么樣的數(shù)學公式來計算?小組成員間可以互相討論,交流,也可以拿出紙筆畫圖,作些記錄,最后推選一位代表上臺發(fā)言,介紹你們小組的討論成果,展示你們設(shè)計的實驗方案或想法,其他成員可以補充說明,各小組間也可以相互提問讓對方回答。注意,討論時要盡可能地把思維發(fā)散開來。

學生提出的方案:

方案1:秒表測時間t,刻度尺測出靜止的小車釋放一段時間后的位移x,根據(jù)位移公式x=12at2,求出加速度。 方案2:利用打點計時器或頻閃照片,借助刻度尺量取長度,根據(jù)勻變速直線運動的特點Δx=aT²,測加速度。

方案3:用位移傳感器測定每時每刻小車的位置,繪制位移-時間圖象,其圖像是一條拋物線,代入二次函數(shù)或通過曲線擬合等等方法,求出加速度。

方案4:用光電門傳感器,根據(jù)a=(lΔt2)2-(lΔt1)22s。

(4)進行實驗、搜集數(shù)據(jù)

①針對學生提出的多種方案,選做光電門實驗

儀器簡介:這是帶刻度尺的水平軌道(如圖1),將軌道盡可能地調(diào)到水平,在水平軌道上放置好小車,讓小車與軌道的摩擦力盡可能地小,并安裝好兩個光電門傳感器,分別在25厘米和50厘米刻度處如圖2?？梢妰蓚€光電門的距離是25厘米。連接好實驗裝置后,打開電腦軟件,屏幕上顯示的就是實驗界面,兩個小窗口將會分別顯示車子通過兩個光電門的時間,實驗完成后,把數(shù)據(jù)導到表格里,運用事先編好的Excel軟件代入公式來處理,計算求得加速度值(如圖3)。

操作1 研究質(zhì)量一定時a與F的關(guān)系

控制小車質(zhì)量不變,改變桶里砝碼的質(zhì)量來改變力,稱出空桶的重力是0.055牛;第一次實驗就用空桶的重力提供拉力;第二次實驗,在桶里放入5克的砝碼重做;以后的每次實驗,都依次加放5克砝碼,分別用不同的重力來提供小車拉力,產(chǎn)生不同的加速度。

提示學生:為了提高實驗效率,我們是一氣完成五次實驗,然后一起導出數(shù)據(jù)進行處理,所以每次實驗完成后,小車拉回來時,注意不要從光電門的位置過。

分析:從表格上,可以看出加速度隨外力增大而增大,但是否成正比函數(shù)呢?我們對數(shù)據(jù)進行處理,作出a-F圖,畫出數(shù)據(jù)點,發(fā)現(xiàn)這些點幾乎都落在一條過原點的傾斜的直線上,說明加速度的確跟外力成正比(如圖4)。

操作2 研究力一定時a與m的關(guān)系

固定拉力不變,通過改變小車的質(zhì)量來改變物體的加速度,從空車開始,每次實驗時,依次增加一片定片,也做五組,填入表格,做出a-m圖線。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點排列在一條曲線上,那是否是反比例曲線呢?做出a-1/m圖線,發(fā)現(xiàn)這些點幾乎都落在一條過原點的傾斜的直線上,說明加速度a跟質(zhì)量倒數(shù)1/m成正比,即加速度a與質(zhì)量成反比關(guān)系(如圖5、6、7)。

②演示其他實驗方案

A.視頻展示方案3(位移傳感器實驗)

用位移傳感器做實驗時,測定小車在不同時刻的位移,做出位移圖像,再用曲線擬合的方法算出每次的加速度a 的大小,錄像拍攝的是研究a與m關(guān)系的實驗,由實驗數(shù)據(jù)處理好后的結(jié)果,同樣看到這些數(shù)據(jù)點幾乎都分布在這條傾斜的直線上,但這種實驗方法的誤差比較大,這可能跟位移傳感器的精度有關(guān)系,同學們在下堂課里可以到實驗室親身體驗一下。

B.演示位移的對比實驗。

實際上,測定加速度也可做對比實驗,物理量間進行等量替換,就是一種很好的思路,如圖8所示,用夾子把兩輛小車固定住,然后松開夾子,同時釋放,兩輛小車同時從靜止開始做勻加速直線運動,運動了一段時間后,再用夾子同時夾住,就會發(fā)現(xiàn)加速度大的小車,在相同時間里位移更大些?由于位移跟加速度成正比,s=12at2輆1a2=s1s2,就可以通過測定小車位移之比,從而了解小車加速度之比。

這個想法是很好的,但在具體實驗操作時結(jié)果并不理想,原因很多,同學們課后可以分析一下誤差的原因,以下是根據(jù)這種實驗原理改良后的一個實驗裝置。

水平軌道上的兩輛小車的質(zhì)量都是200克,注意右邊的小車是跟左邊的鉤碼相連的,左邊小車是跟右邊鉤碼相連的,這是一根標尺,把軌道進行了五等分,填入了五種顏色,可以顯示小車的位移的情況。把兩小車分別放到軌道的兩側(cè),然后同時釋放,分別觀察處于以下三種情形時,小車的運動情況,如圖9所示:

A.同力同質(zhì)量下(都是空車,質(zhì)量都是200克,兩邊掛的鉤碼質(zhì)量都是20克),兩車會在哪里相遇?

B.同力不同質(zhì)量(掛的鉤碼質(zhì)量都是20克,甲車加放重物,質(zhì)量為300克,乙車仍是空車,質(zhì)量200克),兩車會在哪里相遇?

C.同質(zhì)量不同力(都是空車,質(zhì)量都是200克,掛的鉤碼質(zhì)量分別為20克、30克),車子會在哪里相遇?碰后又有什么樣的特點?

(5)實驗結(jié)論

通過實驗,我們發(fā)現(xiàn):對質(zhì)量相同的物體來說,物體的加速度跟作用在物體上的力成正比,并可表述為:a1a2=F1F2或者a∝F。

在相同力的作用下,物體的加速度跟物體的質(zhì)量成反比?？杀硎緸?a1a2=m2m1或者a∝1m。

課堂上,同學們提出了很多測加速度的實驗方案,每種方法或方案都各有優(yōu)缺點,請同學們課后通過實驗繼續(xù)研究,歡迎提出改良意見以提高實驗的精度和準確性。

實驗讓我們對自然規(guī)律的探究有所體驗。實際上一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡單的測量實驗就能得出,還需要通過大量的實驗事實來論證。在牛頓之前,沒有一個科學家定量地研究過力與加速度量值的關(guān)系和方向,牛頓在進行了充分的實驗研究和大量的理論準備基礎(chǔ)上提出了三者的定量關(guān)系,發(fā)表在他那本著名的《自然哲學的數(shù)學原理》一書上。這就是著名的牛頓第二定律。它的基本內(nèi)容:物體的加速度a與受到的作用力F成正比,與物體的質(zhì)量m成反比,寫作F=kma。其中k為比例常數(shù),當所有物理量均取國際單位時(即力的單位取N,質(zhì)量單位取kg,加速度單位取m/s2),科學家是這樣定義一牛頓的:使一千克的物體產(chǎn)生一米每二次方秒的加速度的力就是一牛頓。所以,k=1,此時關(guān)系式變?yōu)? F=ma,這就是牛頓第二定律的數(shù)學表達式。

最后,我用英國詩人蒲柏的一段詩來結(jié)束這堂課,他這樣贊美牛頓:自然和自然規(guī)律,隱藏在黑暗中。上帝說:讓牛頓出生吧,于是,一切顯現(xiàn)光明。

你看物理定律的表達式是多么簡潔呀,它是數(shù)學與物理和諧、完美的結(jié)合,給了我們一種美的享受,簡單就是美!有關(guān)定律的理解和應用我們將在今后繼續(xù)學習。

(欄目編輯鄧 磊)